基于微加速度傳感器的無(wú)線(xiàn)鼠標的設計

引　言

　　微機械加速度傳感器是一種典型的微機電系統(microelectromechanical system，MEMS)，在航空、航天、汽車(chē)等領(lǐng)域已得到了越來(lái)越廣泛的應用，但基于MEMS微加速度傳感器技術(shù)的無(wú)線(xiàn)輸入設備的研究和應用還不是很多，微加速度傳感器用于輸入設備的潛在優(yōu)勢還沒(méi)有得到很好的應用。

　　鼠標是最常用的電腦輸入設備，隨著(zhù)PDA、筆記本、可穿戴式電腦等便攜設備的流行，傳統的鼠標已經(jīng)滿(mǎn)足不了移動(dòng)辦公的需要?，F有的滾輪式或光電式鼠標都需要一個(gè)平坦的工作表面，且自身的體積也比較大。而基于微加速度傳感器的無(wú)線(xiàn)鼠標則完全沒(méi)有這個(gè)限制，它可以自由自在的在空中移動(dòng)來(lái)控制電腦；可以做得很小，便于攜帶，可以靈活地應用于各種場(chǎng)合，例如：可以做成供殘疾人使用的頭戴式鼠標，供講演者使用的移動(dòng)式鼠標等。

　　國外和港臺地區有一些單位正在開(kāi)展這方面的研究，例如：香港中文大學(xué)Lam等人提出了一種基于微加速度傳感器的虛擬鍵盤(pán)鼠標系統(MIDS)，能同時(shí)具備鼠標和鍵盤(pán)的功能；Prince在他的專(zhuān)利中提出了一種輸入設備的方案，用連在手指上的壓力傳感器來(lái)感測手指的動(dòng)作，從而控制電腦輸入；英國伯明翰大學(xué)Humphreys等人研制了一種三維鼠標，利用回轉儀可以控制電腦屏幕上三維立體的旋轉。本文采用美國AD公司成熟的微加速度傳感器ADXL203，并集成Nordic半導體公司最新的射頻收發(fā)器nRF2401和Atmel公司的ATmega16L微控制器，開(kāi)發(fā)新一代基于微加速度傳感器技術(shù)的MEMS無(wú)線(xiàn)鼠標，探索微加速度傳感器在輸入設備上的應用技術(shù)，并為進(jìn)一步研究多維多功能的MEMS無(wú)線(xiàn)輸入設備打下基礎。

　　系統原理與設計

　　檢測原理

　　目前，常見(jiàn)的鼠標有2種，滾輪式和光電式。滾輪式鼠標是靠滾輪的傳動(dòng)帶動(dòng)X(jué)和Y軸上的譯碼輪轉動(dòng)，來(lái)感測鼠標位移的變化；光電式鼠標是用一個(gè)自帶光源的光電傳感器，跟隨鼠標的移動(dòng)連續記錄它途經(jīng)表面的“快照”，這些快照(即幀)有一定的頻率、尺寸和分辨力，而光電鼠標的核心——DSP通過(guò)對比這些快照之間的差異從而識別移動(dòng)的方向和位移量，并將這些位移的信息加以編碼后實(shí)時(shí)地傳給電腦主機。

　　而基于MEMS技術(shù)的無(wú)線(xiàn)鼠標是用微加速度傳感器實(shí)時(shí)測量鼠標運動(dòng)的加速度，經(jīng)過(guò)兩次積分轉換為位移信號傳輸給主機，來(lái)控制光標的移動(dòng)，從而實(shí)現鼠標的功能。

　　硬件設計

　　如圖1所示，整個(gè)無(wú)線(xiàn)鼠標系統分為2個(gè)子系統，遠端子系統和主機端子系統。

圖1 無(wú)線(xiàn)鼠標系統結構框圖

　　遠端子系統由微加速度傳感器、微控制器和nRF2401射頻收發(fā)器組成。微加速度傳感器采用美國AD公司生產(chǎn)的ADXL203微傳感器，微控制器采用Atmel公司生產(chǎn)的ATmega 16L微控制器，該微控制器附帶有8路10位可編程的A/D轉換電路，可以實(shí)時(shí)地將ADXL203加速度傳感器輸出的加速度模擬信號轉換成加速度數字信號。

　　ADXL203加速度傳感器在加速度為0時(shí)輸出電壓為2.5V，為提高A/D轉換的精度，本文利用ATmega 16L內置的差分放大功能，用差分信號將這2.5V電壓給濾掉，并將差分后的電壓信號放大到與A/D轉換的參考電壓相匹配。系統供電采用電器中常見(jiàn)的9V電池，連接一個(gè)LM78M05穩壓貼片得到恒定的5V電壓，供各個(gè)模塊使用。

　　主機端子系統由nRF2401射頻收發(fā)器，串行傳輸接口芯片和另一個(gè)ATmega 16L微控制器組成，其中，RS232串行通信接口芯片采用的是Maxim2IC公司的MAX233芯片，作用是將微控制器輸出的5V TTL/CMOS電平轉換為EIA/TIA-232-E電平，以便與電腦主機進(jìn)行串行(RS232)通信。

　　軟件與算法設計

　　鼠標在人的操縱下移動(dòng)，微加速度傳感器便會(huì )實(shí)時(shí)地輸出鼠標運動(dòng)的加速度大小和方向，ADXL203傳感器的量程為±1.7gn ，電壓靈敏度為1000mV/gn，這個(gè)電壓信號經(jīng)過(guò)差分放大5.0/1.7倍后，通過(guò)微控制器A/D轉換功能變成與加速度大小對應的數字信號，加速度經(jīng)過(guò)兩次積分，便變成了鼠標移動(dòng)的位移信號，然后，再經(jīng)過(guò)編碼，并通過(guò)nRF2401射頻收發(fā)器將位移信號發(fā)射出去。

　　當加速度傳感器輸出電壓為a時(shí)，經(jīng)A/D轉換得到的數字量大小為

　　式中[ ]表示取整數；a為加速度傳感器輸出的電壓大小，V。ATmega 16L單片機最大采樣速率可以達到15000次/秒，本文采用1000次/秒；即每1ms采樣一次，每25ms便向電腦報告一次相對的位移改變量，以保證屏幕上鼠標指針運動(dòng)的精確和平滑，則每一次報告的位移改變量包含25次對加速度采樣的數據?？梢圆捎媒扑惴▉?lái)對加速度信號進(jìn)行二次積分，得到位移信號。

　　編碼的目的是將X和Y方向的位移改變量，連同鼠標按鍵的實(shí)時(shí)信息，按照標準的Microsoft鼠標協(xié)議要求的格式進(jìn)行編碼，以便最后發(fā)送到主機的信息能夠被電腦正確識別，從而使電腦能正確處理發(fā)送給它的位移信號，來(lái)正確控制鼠標光標的移動(dòng)等動(dòng)作。表1表示的即是標準的鼠標協(xié)議規定的三字節數據包格式，第1個(gè)字節記錄的是左右按鍵的信息和鼠標X，Y位移的最高2個(gè)字位的數據，按鍵按下時(shí)，對應的位置1，否則，置0；第2和第3個(gè)字節分別記錄X和Y方向位移的低6位數據。位移值的范圍取-127～+127，再大的位移改變量會(huì )自動(dòng)溢出。

表1　Microsoft標準鼠標協(xié)議數據包格式

　　系統的基本組件

　　MEMS微加速度傳感器

　　本文采用美國AD公司生產(chǎn)的電容式微加速度傳感器ADXL203，如圖2所示，該加速度傳感器是利用各向異性刻蝕、陽(yáng)極鍵合等硅整體加工工藝在硅材料上制造出來(lái)的，并在同一個(gè)基片上集成一些外圍電路，對輸出的加速度信號進(jìn)行放大調制等處理后，可以同時(shí)在X 軸和Y軸2個(gè)方向輸出精確的加速度信號。

圖2　ADXL203加速度傳感器原理圖